數(shù)字化技術(shù)在骨科手術(shù)中的應(yīng)用進(jìn)展

龍旭東，方家棟，楊黎綜述 胡正霞，蘭海審校

1.遵義醫(yī)科大學(xué)，貴州 遵義 563000；

2.成都大學(xué)附屬醫(yī)院，四川 成都 610081

數(shù)字化技術(shù)是通過計(jì)算機(jī)、通信等設(shè)備來表達(dá)、傳輸和處理信息的技術(shù)。在電子技術(shù)與信息技術(shù)飛速發(fā)展的當(dāng)今時(shí)代，骨科臨床研究發(fā)展迅猛，數(shù)字技術(shù)與傳統(tǒng)手術(shù)技術(shù)結(jié)合成為現(xiàn)代骨科手術(shù)的主流趨勢，形成了系統(tǒng)性的骨科臨床數(shù)字技術(shù)。數(shù)字化骨科作為一種全新的骨科臨床應(yīng)用技術(shù)在國內(nèi)外取得顯著的研究進(jìn)展，其主要集中在可視化、模型化、智能化等方面。近年來隨著骨科治療理念的不斷更新，數(shù)字化骨科技術(shù)不僅為骨科手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)管理提供了新路徑，還極大地提高了醫(yī)生的操作效率，為手術(shù)方案選擇提供了有力支持，在最大程度上減少了手術(shù)對患者造成的創(chuàng)傷，提高了患者的機(jī)體修復(fù)質(zhì)量。本文就虛擬技術(shù)、3D打印技術(shù)、有限元分析技術(shù)、骨科手術(shù)機(jī)器人技術(shù)在骨科手術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用方面進(jìn)行綜述。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)和可視化技術(shù)在骨科的應(yīng)用

近幾年虛擬技術(shù)飛速發(fā)展，虛擬技術(shù)也被稱為虛擬環(huán)境，是利用電腦模擬產(chǎn)生一個(gè)三維立體逼真的虛擬環(huán)境，能夠在視覺、聽覺以及觸覺方面，給人們提供一種感官的模擬，讓用戶能夠從多個(gè)方面對世界有一種身臨其境的感覺[1]。用戶移動(dòng)位置時(shí)，電腦可以立即進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算，將精確的三維視頻傳回產(chǎn)生實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的虛擬影像。該技術(shù)是仿真技術(shù)與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)接口技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多種技術(shù)的集合，是一種由電腦技術(shù)輔助生成的模擬系統(tǒng)。在骨科教學(xué)、手術(shù)培訓(xùn)、術(shù)前計(jì)劃、術(shù)中導(dǎo)航及術(shù)后康復(fù)訓(xùn)練等方面發(fā)揮重要作用。

近年來，在虛擬環(huán)境中的計(jì)算機(jī)輔助骨科手術(shù)規(guī)劃系統(tǒng)逐漸發(fā)展，如脊柱側(cè)凸等肌肉骨骼疾病的三維重建系統(tǒng)、用于強(qiáng)直性脊柱炎手術(shù)前規(guī)劃和術(shù)后矯正效果評(píng)估的“ASKyphoplan”軟件等[2-7]。PIGGE等[3]對有關(guān)“ASKyphoplan”計(jì)算機(jī)軟件方面的內(nèi)容進(jìn)行了具體介紹，通過此類軟件的使用可以更好地設(shè)計(jì)強(qiáng)直性脊柱炎手術(shù)方案，還可以將整個(gè)術(shù)后矢狀面截骨矯正情況充分地體現(xiàn)出來，不僅如此，通過這種程序，還可以把計(jì)劃矯正角度、截骨平面、chin-brow縱向角度，以及對應(yīng)的矢狀面的平衡關(guān)系加入其中。通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用，在手術(shù)開始之前能夠把有關(guān)手術(shù)的過程讓患者了解一些，有助于患者焦慮心情的緩解；能夠?qū)σ恍┚哂休^高復(fù)雜性的手術(shù)進(jìn)行對應(yīng)的模擬，從而找到最好的手術(shù)方式。BEKELIS等[8]通過開展一項(xiàng)隨機(jī)對照實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，接受術(shù)前沉浸式VR的患者和非沉浸式VR的患者對比，術(shù)前沉浸式VR的患者圍手術(shù)期壓力減小、焦慮減輕、滿意度增加、恢復(fù)較好。由此可見，醫(yī)院在對患者進(jìn)行治療的過程中可以打造一個(gè)沉浸式的虛擬環(huán)境，明顯的降低患者圍手術(shù)期心理負(fù)擔(dān)，這對于手術(shù)效果來說是非常有利的。CHAN等[9]評(píng)價(jià)了術(shù)前沉浸式VR(immersive virtual reality，IVR)療法在局部麻醉下行關(guān)節(jié)置換術(shù)的可行性和潛在的鎮(zhèn)靜效果；9例患者接受了IVR、局部麻醉和鎮(zhèn)靜治療的患者，10例患者接受了常規(guī)護(hù)理，在IVR組中異丙酚平均用量為(63±21)mg/h，在常規(guī)護(hù)理組中異丙酚平均用量為(155±45)mg/h(P＜0.05)，在手術(shù)后，患者滿意度不存在明顯差別，通過本實(shí)驗(yàn)?zāi)苷f明，在手術(shù)室環(huán)境下提供IVR是可行的，其有鎮(zhèn)靜作用，可減少麻醉藥用量，不影響手術(shù)療效。

2 3D打印技術(shù)在骨科的應(yīng)用

3D打印技術(shù)出現(xiàn)于20世紀(jì)80年代，其原理是通過計(jì)算機(jī)及三維數(shù)字成像技術(shù)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的重建。在醫(yī)療、航天、軍工、工業(yè)設(shè)計(jì)等很多行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。3D打印骨折模型來源于CT或MRI導(dǎo)出的3D DICOM格式數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成3D打印機(jī)能夠識(shí)別的格式文件后，由計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(computer aided design，CAD)讀取，用于設(shè)計(jì)3D對象。3D打印通過“疊加制造”，以預(yù)定方式逐層添加原材料，從而達(dá)到精確的3D框架。與傳統(tǒng)的影像學(xué)資料相比，3D打印技術(shù)通過提取患者的CT和MRI數(shù)據(jù)重建三維解剖結(jié)構(gòu)，得到實(shí)體的骨折模型，其提供的立體結(jié)構(gòu)更加清晰直觀，可以幫助醫(yī)師全面地認(rèn)識(shí)疾病，從而做出正確的診斷，對骨折部位有更為準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)，為后期制定合理的手術(shù)方案做好準(zhǔn)備。

3D打印技術(shù)在骨科的臨床工作中廣泛地應(yīng)用于骨折模型的制作、導(dǎo)航模板的設(shè)計(jì)、個(gè)性化的內(nèi)置物打印。在治療骨盆髖白骨折的過程中，因?yàn)槠渚哂蟹浅?fù)雜的解剖結(jié)構(gòu)，并且骨折的形式也非常多樣，能夠采取的手術(shù)方式相對較多，必須要對骨折的分型有一個(gè)深入的了解。BAGARIA等[10]進(jìn)行一項(xiàng)多中心研究實(shí)驗(yàn)，50例手術(shù)患者采用了3D打印技術(shù)制作出骨折實(shí)體模型，其中，關(guān)節(jié)周圍骨折患者24例，骨盆骨折患者11例，復(fù)雜骨折患者7例，人工髖關(guān)節(jié)翻修手術(shù)患者8例，所有治療醫(yī)師都認(rèn)為3D打印的實(shí)體模型比常規(guī)影像提供了更多的信息，增強(qiáng)了他們對復(fù)雜疾病的認(rèn)識(shí)，有助于做出正確診斷，做好術(shù)前規(guī)劃、手術(shù)模擬、術(shù)中參考等。

在對復(fù)雜粉碎性骨折患者進(jìn)行治療的過程中，以往主要是通過醫(yī)師的經(jīng)驗(yàn)來對骨折部位進(jìn)行復(fù)位以及螺釘植入操作，因?yàn)槊總€(gè)患者存在較高的個(gè)體差異，所以經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)手術(shù)過程中螺釘穿入關(guān)節(jié)內(nèi)等相關(guān)的情況發(fā)生。導(dǎo)航模板技術(shù)能夠使手術(shù)的精準(zhǔn)度進(jìn)一步提升，可以明顯提高手術(shù)操作的準(zhǔn)確度，減少手術(shù)時(shí)間及透視次數(shù)，提高手術(shù)成功率。目前隨著科技的發(fā)展，虛擬增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)在臨床上得到應(yīng)用，術(shù)者可以在電腦上進(jìn)行術(shù)前規(guī)劃和手術(shù)設(shè)計(jì)，并不需要高成本打印出完整的骨折模型，僅利用3D打印技術(shù)打印出所需的導(dǎo)航模板用來指導(dǎo)手術(shù)治療顯得更加經(jīng)濟(jì)、有效[11]。在周圍骨折，骨盆、髖臼骨折等方面，BROWN等[12]在對107例創(chuàng)傷骨折患者中應(yīng)用3D打印導(dǎo)航模板研究中發(fā)現(xiàn)，術(shù)后鋼板位置及螺釘方向與術(shù)前設(shè)計(jì)幾乎完全相同，其精確度令人滿意；ZHANG等[13]使用3D打印技術(shù)制作出導(dǎo)航模板，分別對患有肘內(nèi)翻畸形的12例男性患者和6例女性患者(平均年齡為15.7歲)進(jìn)行了治療，先通過患者對應(yīng)的3D CT成像數(shù)據(jù)制作出患肘3D打印模型，從而反向設(shè)計(jì)出截骨角度以及截骨范圍最具貼合性的導(dǎo)航模板，能夠給矯正手術(shù)提供非常有利的指導(dǎo)，術(shù)后X線片證實(shí)畸形矯正，18例肘內(nèi)翻畸形患者的平均術(shù)后攜帶角度為7.3°，隨訪12～24個(gè)月，平均矯正率為21.9°。雖然在理論上導(dǎo)板能夠達(dá)到精確置釘，然而軟組織滑動(dòng)和缺乏穩(wěn)定的貼合面是仍需要解決的問題。

通常情況下，位于人群正態(tài)分布兩側(cè)的患者想要找到一個(gè)匹配合適的標(biāo)準(zhǔn)植入物往往具有較高的難度，再加上創(chuàng)傷患者種類較多，出現(xiàn)內(nèi)置物大小不匹配的可能性非常高，這樣會(huì)進(jìn)一步增加手術(shù)難度。所以采用個(gè)體化內(nèi)置物就變得非常重要。3D打印技術(shù)可以根據(jù)患者的實(shí)際情況來定制出對應(yīng)的個(gè)性化內(nèi)置物，能夠盡可能地符合患者的需求，從而使手術(shù)更加精準(zhǔn)化。在腹腔鏡下開展骨盆骨折手術(shù)已在臨床中得到應(yīng)用，在整個(gè)手術(shù)過程中，準(zhǔn)備的內(nèi)置物要確保其和患者的骨骼相互匹配，以便在狹小的手術(shù)視野中固定，便必須要制造一個(gè)具有高精確度的個(gè)體化內(nèi)置物，3D打印術(shù)前定制個(gè)性化內(nèi)置物就顯得非常關(guān)鍵[14]。術(shù)中應(yīng)用3D打印骨科植入物的原材料主要集中于PEEK(聚醚醚酮)和鈦金屬中，后者廣泛用于接骨板、人工關(guān)節(jié)假體及脊柱植入物中。DAI等[15]采用3D打印技術(shù)為10例嚴(yán)重骨盆損傷準(zhǔn)備行半骨盆切除術(shù)的患者制作出骨盆模型，植入個(gè)體化假體，術(shù)中操作順利，假體匹配良好，術(shù)后隨訪X線片示假體固定確切，無松動(dòng)、移位等情況。

3 有限元分析技術(shù)在骨科的應(yīng)用

有限元分析技術(shù)是通過數(shù)字化構(gòu)建數(shù)字模型，然后利用已知條件，如材料特性、已知的節(jié)點(diǎn)具體數(shù)目及各節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)系等，對各個(gè)單元的做出一個(gè)近似解，最后在此基礎(chǔ)上計(jì)算該域總的總解，進(jìn)行定量分析，從而使實(shí)際復(fù)雜的問題定量化。數(shù)字化有限元分析技術(shù)因成本滴、精準(zhǔn)性高、更能模擬機(jī)體力學(xué)等優(yōu)點(diǎn)在國內(nèi)外成為了研究熱點(diǎn)，在力學(xué)分析、固定裝置的指導(dǎo)、骨折的產(chǎn)生機(jī)制和生物材料的研究得到了廣泛的應(yīng)用推廣，而且很容易在個(gè)人電腦中操作、處理大型的醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)，對臨床疾病的診治提供了準(zhǔn)確可靠的信息。構(gòu)建骨骼系統(tǒng)的有限元模型能夠在一定程度上為人體生物力學(xué)的分析研究上提供幫助，也為學(xué)者了解骨骼的生理特性提供了一條切實(shí)可靠、方便簡潔的研究路徑。

國內(nèi)外眾多學(xué)者都相繼采用有限元分析法開展骨骼肌肉系統(tǒng)的探索與研究。彭春政等[16]基于人體軀干掃描的CT數(shù)據(jù)，應(yīng)用有限元并結(jié)合逆向工程原理和根據(jù)解剖學(xué)資料建立了軀干骨骼-肌肉-韌帶復(fù)合體三維模型，客觀地反映了人體軀干解剖結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性，其模型的有效性驗(yàn)證也證明本研究的建模方法和材料參數(shù)選擇的有效性。骨科醫(yī)生在臨床診治股骨頭壞死疾病時(shí)往往會(huì)漏診，其主要原因是股骨頭壞死會(huì)導(dǎo)致壞死區(qū)發(fā)生逐步塌陷。張念非等[17]在利用有限元分析發(fā)現(xiàn)，股骨頭壞死塌陷處往往處于負(fù)重區(qū)，該區(qū)域的呈現(xiàn)為不規(guī)則圓形，通過有限元力學(xué)分析發(fā)現(xiàn)在股骨頭中心為頂點(diǎn)壞死區(qū)＞110°時(shí)，股骨頭內(nèi)壞死區(qū)的應(yīng)變能力超過軟骨下骨的應(yīng)變能力，極易出現(xiàn)軟骨下骨板骨折。

有限元的生物力學(xué)分析對骨折固定裝置的指導(dǎo)具有重要作用。20世紀(jì)70年代有研究構(gòu)建首次建立出了長鋼板固定的二維有限元模型，開始了運(yùn)用有限元分析法對骨折固定進(jìn)行分析研究。CULEMANN等[18]隨后在此基礎(chǔ)上對三維骨折固定的有限元模型進(jìn)行更為深入的研究并取得較大的研究成果，如今骨科固定的有限元分析法已被廣泛地應(yīng)用到骨科內(nèi)外固定的研究之中。許瑞杰等[19]在研究股骨頸骨骨折固定方式的不同對骨折端應(yīng)力所造成的影響中發(fā)現(xiàn)，在保持單釘恒定不變情況下，在對Pauwels角為50°的經(jīng)頸型骨折模型施加載荷時(shí)，各參數(shù)同時(shí)達(dá)到最小值，說明以該角度固定可取得最佳的力學(xué)效果；采用多釘固定時(shí)發(fā)現(xiàn)，兩釘橫放固定效果最差，兩釘豎放抗扭效果較差，兩釘斜放和三釘固定時(shí)力學(xué)效果最好。劉安慶等[20]對股骨力學(xué)分布的有限元分析表明：股骨頸處的壓力骨小梁和股骨距是重要的承載結(jié)構(gòu)，因而內(nèi)固定裝置放置位置應(yīng)循壓力骨小梁方向盡量緊貼股骨距鉆入。現(xiàn)今的研究成果使模型不僅能逼真地模擬骨骼，還能將周圍的韌帶、肌肉直接或間接地加入模型，使模擬更加真實(shí)與完美，從而能更準(zhǔn)確地反映研究對象的生物力學(xué)特性，使實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果更加精確可靠。

4 手術(shù)機(jī)器人技術(shù)在骨科的應(yīng)用

機(jī)器人被定義為一個(gè)具有電腦操作系統(tǒng)及與周圍環(huán)境有互動(dòng)的電動(dòng)操縱結(jié)構(gòu)的機(jī)械。它的基本結(jié)構(gòu)是包含能夠提供機(jī)器人狀態(tài)反饋數(shù)據(jù)的感應(yīng)器和處理這些數(shù)據(jù)的中央處理器，以及能夠按照指令進(jìn)行動(dòng)作的執(zhí)行系統(tǒng)[21]。醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的手術(shù)機(jī)器人技術(shù)革新是伴著數(shù)字化技術(shù)、機(jī)器人服務(wù)技術(shù)和復(fù)雜影像學(xué)技術(shù)產(chǎn)生的。計(jì)算機(jī)技術(shù)、微創(chuàng)手術(shù)技術(shù)及醫(yī)學(xué)影像學(xué)等多學(xué)科發(fā)展的共同推動(dòng)下，手術(shù)機(jī)器人的研究和應(yīng)用得到了很大程度的進(jìn)步。手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)能夠克服人的生理局限，具有操作精度高、操作可重復(fù)性好、操作穩(wěn)定性強(qiáng)、手術(shù)創(chuàng)傷少、醫(yī)生勞動(dòng)強(qiáng)度降低等特點(diǎn)。目前骨科手術(shù)機(jī)器人的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括：人工關(guān)節(jié)置換、骶骨骨折脫位、復(fù)雜的骨盆及髖臼骨折、髓內(nèi)釘遠(yuǎn)端鎖定和股骨頸骨折螺釘固定等[22-24]。國外手術(shù)機(jī)器人的研發(fā)與臨床應(yīng)用大多數(shù)為以Spine Assist系統(tǒng)為主的機(jī)器人系統(tǒng)[25-28]。PECHLIVANIS等[25]采用Spine Assist系統(tǒng)對31例患者進(jìn)行微創(chuàng)經(jīng)皮后路腰椎融合術(shù)，共置入133枚椎弓根螺釘，91.0%～98.5%的患者的系統(tǒng)準(zhǔn)確性與術(shù)前計(jì)劃偏差在＜2 mm以內(nèi)，29例患者均采用該機(jī)器人系統(tǒng)成功進(jìn)行手術(shù)治療。SUKOVICH等[26]應(yīng)用Spine Assist系統(tǒng)經(jīng)皮后路脊柱融合椎弓根螺釘置入治療的14例臨床病例中，成功率達(dá)到93%，96%的椎弓根螺釘?shù)奈恢门c計(jì)劃進(jìn)釘位置偏差在1 mm之內(nèi)，該系統(tǒng)能夠與很多微創(chuàng)經(jīng)皮內(nèi)固定系統(tǒng)協(xié)同配合使用，明顯減少手術(shù)醫(yī)生的射線損傷。CRUCES等[27]將機(jī)器人機(jī)械臂輔助與計(jì)算機(jī)導(dǎo)航相結(jié)合應(yīng)用于骨科，手術(shù)醫(yī)生可以通過手動(dòng)牽引機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)來提高骨科手術(shù)的準(zhǔn)確性和安全性，在不降低靈活性的同時(shí)提高機(jī)器人的輔助功能。2015年，北京積水潭醫(yī)院和北京天智航公司共同合作研發(fā)“天璣”機(jī)器人，其主要涵蓋了6個(gè)高自由度的機(jī)械臂系統(tǒng)、光學(xué)追蹤系統(tǒng)、手術(shù)規(guī)劃和導(dǎo)航系統(tǒng)系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，北京積水潭醫(yī)院主導(dǎo)下多單位配合開發(fā)的第三代骨科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)(天璣)是國際上首個(gè)通用性骨科手術(shù)機(jī)器人，其亞毫米級(jí)的定位精確度足以滿足45%以上骨科手術(shù)的需求[29]。韓巍等[30]借助天璣骨科機(jī)器人對38例不穩(wěn)定骨盆后環(huán)骨折輔助骶髂螺釘經(jīng)皮內(nèi)固定治療，螺釘位置優(yōu)良率為100%，天璣骨科手術(shù)機(jī)器人輔助下置入S2骶髂螺釘治療不穩(wěn)定的骨盆后環(huán)骨折比透視下徒手操作成功率更高。

5 展望

現(xiàn)階段來說，有關(guān)數(shù)字骨科學(xué)的基礎(chǔ)研究以及臨床應(yīng)用的發(fā)展還處于高速發(fā)展的時(shí)期，伴隨著數(shù)字化系統(tǒng)和骨科新技術(shù)以及理念的深入結(jié)合，最大可能地實(shí)現(xiàn)了骨科手術(shù)的微創(chuàng)化和智能化。在骨科未來的發(fā)展過程中，個(gè)性化、精準(zhǔn)化以及微創(chuàng)化都是非常重要的發(fā)展目標(biāo)，能夠使整個(gè)骨科手術(shù)變得更加安全方便，能夠?qū)υ\治水平進(jìn)行非常大的改善，對于骨科疾病患者來說是非常有利的。